基于前馈电压与Crowbar协调的直驱型风电系统低电压穿越控制策略研究

李琮琮，杜艳，杨锡运，肖运启（.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南　50000；.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京　000）

基于前馈电压与Crowbar协调的直驱型风电系统低电压穿越控制策略研究

李琮琮1，杜艳1，杨锡运2，肖运启2
（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250000；2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102200）

当电网电压下降或短暂波动时，为了避免风机与电网断开，给电网带来干扰，影响电能质量，要求风电场具备低电压穿越能力。文章对直驱型风电系统低电压穿越技术进行了研究，提出了一种基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调的控制方法。该方法将硬件卸荷的思想和改进的控制策略相结合，两者协调共同维持直流母线电压稳定。基于Matlab/ Simulink的仿真结果表明，该方法在电网电压跌落期间既可提高直流母线电压的稳定性和动态调节能力，又能降低发电机侧输出功率，并且减少了Crowbar电路的作用时间，有效地提高了机组的低电压穿越能力。

直驱式风电系统；低电压穿越；协调控制；直流母线电压

1674-3814（2016）06-0147-06

TM614

A

随着风电并网比例的不断增加，风电系统与电网之间的相互影响越来越深。现阶段，很多国家都要求并网发电的风力机必须能实现低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）［1-2］，我国也于2011年提出了《风电场接入电网技术规定》［3］。

永磁直驱风力发电系统中常采用全容量双PWM变换器实现并网发电［4-7］。双PWM变换器直流母线电压的稳定性和动态调节能力是发电系统稳定运行的关键所在，因此要求双PWM变换器直流母线电压在电网故障时的波动尽可能小［8］。关于直驱永磁同步风力发电系统的低电压穿越研究，文献［9］提出直接在直流母线上接耗能单元，当检测母线电压过高时消耗掉多余的能量。文献［8］提出在直流侧增加储能装置的Crowbar电路。文献［10-14］提出在直流侧和电网之间增加辅助变换器的Crowbar电路。但是，上述这些方法增加的Crowbar电路在电网电压故障期间会作用时间比较长，导致卸荷电阻产生大量的热能，不但浪费了能量，还可能对电力电子器件造成损坏，因此需要研究其他方法解决上述问题。

考虑到电网电压跌落时，直流母线电压的波动主要是由于输入输出功率不平衡导致的，Crowbar电路本质的作用也是消耗掉多余的能量，同时从限制发电机输出功率的角度出发，本文提出了一种基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调的控制策略。该方法的优势在于将硬件卸荷电路与改进的控制策略相结合，可有效地克服传统的低电压穿越方法单独仅依靠Crowbar电路、或者仅通过改进控制策略进行故障穿越带来的弊端。在电网电压跌落期间，一方面利用Crowbar电路，通过控制Crowbar电路中功率器件的导通比，利用卸荷电阻将直流母线上多余的能量消耗掉，稳定直流母线电压；另一方面将电网电压信息以前馈的方式加入到电机侧变流器双闭环矢量控制中的电流内环调节中，通过前馈作用，既快速限制发电机的输出功率，同时又能有效地克服Crowbar电路作用时间长的问题。仿真结果表明，两者协调控制策略显著提高了机组的低电压穿越能力，具有重要的工程意义。

1　基于耗能Crowbar电路的低电压穿越方案

图1为为背靠背全功率变流器永磁同步发电机风电系统，发电机通过全功率变流器与电网完全隔离。电机侧PWM变流器通过调节定子电流的d、q轴分量，控制发电机的转矩和定子的无功功率，网侧PWM变流器通过调节网侧电流的d、q轴分量，控制直流侧电压和流向电网的无功功率，实现有功和无功的解耦控制。

图1　背靠背全功率变流器结构图Fig.1　Structure of back-to-back full-power converter

1.1Crowbar电路工作原理

基于耗能Crowbar的低电压穿越方案有多种，但从经济性、可靠性、结构及响应速度等多方面考虑，常用的方案是直接在直流侧增加Crowbar电路。在直流侧采用超级电容器进行短时能量充放，也可以实现上述目的，但增加了系统的成本。Crowbar电路通常由功率器件及卸荷电阻组成，通过控制功率器件投入和切出卸荷电阻，以调节直流侧电压，如图2所示。

图2　直流侧增加卸荷电阻的Crowbar电路Fig.2　Crowbar circuit with unloading resistance at DC side

本文采用直流母线电压作为判断条件，系统正常工作时，Crowbar电路不起作用；当电网发生故障、直流母线电压超过设定的上限时，投入卸荷电阻，并对直流母线电压的偏差进行PI调节，控制Crowbar电路中功率器件的导通比，通过卸荷电阻将多余的能量消耗掉，抑制直流母线过电压；当直流母线电压低于设定的下限时，切出卸荷电阻，从而控制直流母线电压的稳定。控制原理图如图3所示。

图3　Crowbar电路控制原理图Fig.3　Control diagram of crowbar circuit

1.2仿真验证

为了验证Crowbar电路的作用，本文基于Matlab/ Simulink对电网电压发生三相对称跌落的情况进行了建模仿真。模型机侧采用零d轴矢量控制，网侧采用电网电压定向矢量控制。电网侧电压在1 s时跌落至50%，1.5 s恢复，即持续500 ms。

图4给出了网侧A相电压跌落情况。图5给出了加入Crowbar电路前后直流母线电压的变化情况。从图5可以看出，当电网电压发生故障时，如果不采取任何措施，则直流母线电压将逐步上升，最高达到3.1 pu左右，而且当电网电压恢复后，直流母线电压很难恢复稳定，极易造成变流器损坏，进而危及运行安全。加入Crowbar电路后，当发生电压跌落时，直流母线电压在电压跌落时有一个微小的上升，经过控制器的调节后，在跌落期间直流母线电压与设定值有个微小的偏差，约为0.006 7 pu，但是在电压恢复时有一个比较大的下降尖峰，最低点达到0.84 pu左右，很有可能会造成直流侧电容过压，损坏电力电子器件。

图4电网A相电压Fig.4　Grid A-phase voltage

图5　加入Crowbar电路前后直流母线电压Fig.5　DC-bus voltage with and without crowbar circuit

1.3Crowbar电路存在的问题

图6给出了电网电压跌落时Crowbar电路的作用时间，可以看出当电网电压跌落时，Crowbar电路一直在作用，并且通过的电流很大。当电网电压跌落时间较长时，卸荷电阻产生的热能可能会损坏电力电子器件，因此需要采用其他措施与Crowbar协调作用，以减小Crowbar电路作用时间，使系统具有更好的低电压穿越能力。

图6Crowbar电路导通时间Fig.6　Conduction time of crowbar circuit

2　基于电网电压信息的电机侧输出功率控制与Crowbar电路协调控制

为了弥补Crowbar电路的不足和对系统稳定性的影响，本文提出一种基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调的控制策略，在保留Crowbar电路的基础上对控制策略进行了改进。该方法将硬件卸荷电路与改进的控制策略的优势充分结合，既有效地减少了Crowbar电路的作用时间，降低了能量的消耗，又改善了直流母线的动态品质，有效地克服了传统方法中单独依靠Crowbar电路、或者仅通过改进控制策略进行故障穿越所带来的弊端。

2.1基于电网电压信息前馈的机侧变流器控制

本文中电机侧变流器采用零d轴矢量控制策略，并且采用功率给定方式控制，由最大风能捕获公式求出最佳功率，然后与实际功率相减，经过PI环节得出q轴电流指令。

根据文献［15-18］，在两相旋转d－q轴坐标下，PMSG电流指令为

式中：isd，isq分别为d，q轴电流；Te为电磁转矩；p为电机极对数；φf为转子磁链。

由于发电机的电磁功率Pe为：

则发电机的输出功率为：

式中：Ω为电机机械角速度；Pcu为电机铜耗。

通过式（1）、（2）、（3）可知，通过控制q轴电流分量，可以控制电机的电磁转矩Te，进而控制发电机的电磁功率Pe。

当电网故障时，若能有效地限制发电机侧的输出功率，可有效抑制直流母线电压波动。本文提出通过前馈控制的方式将电网电压跌落幅度KN输入到电机侧矢量控制的电流内环上，将给定的电磁功率P*e限制为原来的KN倍，这样就可以实现发电机输出功率的限制。其中KN按如下方式定义。

定义电网侧变流器正常工作时并网电压为UN，当发生电网电压跌落故障后电网侧变流器并网电压为U，则电网电压跌落幅度为KN=U/UN。

控制框图如图7所示。

2.2电机侧输出功率与Crowbar电路协调控制

基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调的控制策略如图8所示。

当电网发生故障时，使用上述电压信息前馈与Crowbar电路协调的协调控制策略，一方面Crowbar电路根据直流母线电压情况调节功率器件的导通比，及时将直流母线上的多余的能量消耗掉；另一方面机侧控制器可以根据电网电压故障信息减小发电机的输出功率，始终保持电机侧输出功率与电网电压跌落信息一致。两者协调控制共同实现低电压穿越能力，弥补了单独使用Crowbar电路进行低电压穿越的缺陷。在电网故障期间，由于机侧采取基于电网电压信息的前馈控制策略，将电网电压跌落幅度输入到电机侧矢量控制的电流内环上，实现了发电机输出功率的限制，使发电机输出功率会迅速降低，从而避免了直流侧过电压，过电流，并且将会大大减小Crowbar电路作用的时间。

图7　基于电网电压信息前馈的机侧控制图Fig.7　Control diagram of generator-side based on grid-side information feed-forward

图8 协调控制框图Fig.8　Coordination control diagram

3　仿真验证

基于仿真软件Matlab/Simulink工具箱，建立直驱永磁同步风力发电系统模型，并验证在电网发生三相对称电压跌落故障时，采用本文所提出的基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调控制策略的控制效果。模型的额定功率为2 MW。具体仿真参数如下：网侧额定电压为400 V，直流母线额定电压为1 200 V，电网频率50 Hz，直流侧滤波电容为0.06 F，电机定子电阻为0.004 Ω，定子d轴主电感为0.3 mH，定子q轴主电感为0.3 mH。

3.1电网电压跌落50%时仿真效果

仿真条件：电网在1 s时发生电压三相对称跌落故障，1.5 s恢复，故障时电网电压跌落至额定值的50%，持续500 ms。图9给出了电网电压发生三相对称跌落时系统的仿真波形。

图9　电网电压跌落50%、持续500 ms控制效果Fig.9　Control effect of grid voltage drop by 50%and last for 500 ms

图9（a）给出了电网A相电压标幺值。由图9（b）看出，与没有电网电压信息前馈控制、只采用Crowbar电路相比，采用协调控制策略时，直流母线电压稳定在1 pu左右，并且在电网电压恢复时，无电网电压信息前馈的Crowbar电路产生了较大的直流母线电压下降，而协调控制策略的直流母线电压稍微下降后立刻回调上升，直流母线电压的震荡要明显小于只采用Crowbar电路的控制效果，表现出了很好的动态调节能力。因此，采用协调控制策略提高了直流母线电压的稳定性和动态调节能力。由图9（c）可以看出，协调控制时Crowbar电路的作用时间明显小于只采用Crowbar电路时的作用时间，大大降低了系统所产生的热能。综合分析可知，电压跌落50%时基于前馈电压与Crowbar协调控制的低电压控制策略效果较好。

3.2电网电压跌落80%时仿真效果

仿真条件：电网在0.8 s时发生电压跌落故障，1.425 s恢复，故障时电网电压跌落至额定值的80%，持续625 ms。

图10给出了电网电压发生三相对称跌落至20%时系统的仿真波形。

图10　电网电压跌落80%、持续625 ms时控制效果Fig.10　Control effect of grid voltage drop by 80%and last for 625 ms

图10（a）给出了电网A相电压标幺值。图10（b）给出了Crowbar电路控制与协调控制作用下的直流母线电压对比图，与实验一不同的是，当电网电压跌落幅度较大并且持续时间较长时，如果只采用Crowbar电路控制，则在电网电压跌落瞬间，由于控制器的调节作用，直流母线电压有个上冲，经过调节后稳定在1.025 pu左右，并且在电网电压恢复时，震荡幅度非常大，最低甚至达到0.5 pu左右，最高达到1.1 pu，并且震荡时间比较长，系统的快速性比较差，经过250 ms左右才逐渐稳定。采用协调控制时，由于控制系统的响应需要一段时间，在电压跌落刚开始时，主要是Crowbar电路起作用。与只采用Crowbar电路相比，虽然采用协调控制后，在电网电压刚发生故障时，直流母线电压有个相对较大的震荡，但是超调量很小，在直流母线电压允许的范围之内。并且在电网电压恢复时，采用协调控制不仅减小了直流母线电压的波动，而且大大降低了直流母线电压的调节时间，比只采用Crowbar电路减少了近150 ms，表现出了很好的快速性及稳定性。与实验一一样，从图10（c）可以看出，协调控制时Crowbar电路的作用时间明显小于只采用Crowbar电路时的作用时间。综合分析可知，电压跌落80%时基于前馈电压与Crowbar协调控制的低电压控制策略效果较好。

4　结论

本文基于电网电压信息前馈与Crowbar电路协调控制，有效地克服了单独依靠Crowbar电路时作用时间长、能量消耗多的缺点，同时根据电网电压跌落信息减小了发电机的输出功率，使之与电网电压跌落跌落幅度一致。通过硬件卸荷电路与改进的控制策略相结合，不仅提高了直流母线电压的稳定性和动态品质，并且大大减少了crowbar电路的作用时间，从而提高了机组的低电压穿越能力，具有重要的工程意义。

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Coordinated Control of Low Voltage Ride Through（LVRT）of Direct-Drive Wind Power System Based on Feed-Forward and Crowbar

LI Congcong1，DU Yan1，YANG Xiyun2，XIAOYunqi2
（1.Shandong Power Grid Corporation Electric Power Research Institute，Jinan 250000，Shandong，China；2.School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102200，China）

When voltage drops or transient fluctuations occur to a power grid，the grid-connected wind farm should be equipped with ride-through capability so that the wind turbine will not be disconnected and the power grid not be disturbed and power quality not be affected.This paper presents a study on the low voltage ride-through technology for the direct-driven wind power system and proposes a control method based on power grid voltage information feed forward and Crowbar circuit coordination.This method combines the idea of the hardware unloading with improved control strategy，and can maintain the DC-bus voltage keep stability.Simulation results based on Matlab/Simulinkshow that this method can not only improve the stability and dynamic response performance of the DC-bus，but also effectively reduce the output power of generator，and reduce the action time of Crowbar circuit at the same，therefor it caneffectively improve the ride-through capability of the wind power system.

direct-drive wind power system；low voltage ride through（LVRT）；coordinated control；DC-bus voltage

2015-09-15。

（编辑黄晶）

国家自然科学基金（51207049）；北京市自然科学基金（4132061）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（13MS25）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51207049）；National Natural Science Foundation of Beijing City（4132061）；Special Fund for Basic Scientific Research Expenses for the Central Universities（13MS25）.

李琮琮（1985—），工程师，硕士，研究方向为电能计量。